輸電線路防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

引言

電力系統(tǒng)輸電線路所起的作用主要是遠(yuǎn)距離、高容量傳輸電能,隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展,現(xiàn)階段輸電線路縱橫交錯(cuò),電網(wǎng)已變得越來越復(fù)雜,輸電線路受到的外力破壞也逐年增多,輸配電線路運(yùn)行事故屢有發(fā)生。例如,地面超高施工機(jī)械和超高交通工具在行駛和操作過程中與帶電運(yùn)行的高壓輸配電線安全距離不足,造成放電或碰撞事故。目前,雖然"高壓危險(xiǎn)"的警示牌隨處可見,但警示牌存在夜間無法辨識(shí),失去警示作用的問題。此外,少數(shù)單位采用LED發(fā)光管或發(fā)光警示帶,此類產(chǎn)品功耗過大、安裝復(fù)雜,閃光強(qiáng)度較小,無聲音輔助預(yù)警,而且電力桿塔并無可用的市電交流電源。而發(fā)光牌或電子警示屏等裝置,往往是災(zāi)害事故發(fā)生之后才觸發(fā),缺乏主動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)警探測(cè)功能。城鎮(zhèn)道路與公路多樣性突出,有些地區(qū)夜晚環(huán)境噪聲較大,發(fā)光牌或電子警示屏等產(chǎn)品安裝高度不一,對(duì)于過往司機(jī)的警示能力較弱,無法有效發(fā)揮作用。

本文對(duì)微波雷達(dá)與激光應(yīng)用多重技術(shù)手段進(jìn)行有效融合,依據(jù)輸電線路實(shí)際工況,提出了一種新型預(yù)警系統(tǒng),它既能替代傳統(tǒng)警示牌,又能在災(zāi)害發(fā)生之前發(fā)出有效預(yù)警,且具備聲、光、電多種警示方式,能夠?qū)崿F(xiàn)隱患防治的目的。

1防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)研究

1.1預(yù)警探測(cè)技術(shù)選用

目前,智能探測(cè)有幾種常用的技術(shù):被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)、主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)、激光探測(cè)技術(shù)、多普勒微波感應(yīng)技術(shù)。

(1)被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù):人體都有恒定的體溫,一般在37℃左右,會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10μm左右的紅外線,被動(dòng)紅外探測(cè)器就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。被動(dòng)紅外探測(cè)器本身不發(fā)出信號(hào),只是被動(dòng)接收外界的紅外能量。當(dāng)人體移動(dòng)時(shí),人體溫度與周圍環(huán)境溫度存在差別,被動(dòng)探測(cè)器對(duì)這種差別的變化進(jìn)行處理后就會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)。被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn):本身不發(fā)出任何類型的輻射,器件功耗很小,隱蔽性較好,價(jià)格低廉。缺點(diǎn):容易受各種熱源、陽光源干擾:被動(dòng)紅外穿透力差,人體的紅外輻射容易被遮擋,不易被探測(cè)器接收:易受射頻輻射干擾:環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí),探測(cè)靈敏度明顯下降,有時(shí)會(huì)短時(shí)失靈。

(2)主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù):主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成,其中發(fā)射機(jī)由電源、發(fā)光源和光學(xué)系統(tǒng)組成,接收機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號(hào)處理器等部分組成。主動(dòng)紅外探測(cè)器是一種紅外線光束遮擋型報(bào)警器。正常情況下,接收機(jī)收到的是一個(gè)穩(wěn)定的光信號(hào),當(dāng)有人入侵該警戒線時(shí),紅外光束被遮擋,接收機(jī)收到的紅外信號(hào)發(fā)生變化,提取這一變化,經(jīng)放大和適當(dāng)處理,控制器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖1為某高速入口處安裝的紅外限高裝置。

(3)激光探測(cè)技術(shù):激光探測(cè)與紅外探測(cè)類似,激光對(duì)射探測(cè)器由激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)組成,以四束獨(dú)立的激光束為警戒線。激光束發(fā)射的角度小,光束集中且單位光束能量強(qiáng),目標(biāo)接收激光束的功率密度是紅外發(fā)光二極管光束的數(shù)倍,因而穿透雨、雪、霧、風(fēng)沙能力強(qiáng),極大地降低了誤報(bào)率。

(4)多普勒微波感應(yīng)技術(shù):也稱微波雷達(dá)(多普勒)感應(yīng)探測(cè),基于電磁波的多普勒原理來實(shí)現(xiàn)。微波雷達(dá)對(duì)物體的移動(dòng)有快速反應(yīng),因此特別適用于快速行動(dòng)物體的偵測(cè)。這種探測(cè)方式與其他探測(cè)方式相比具有如下優(yōu)點(diǎn):非接觸探測(cè):不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響,適應(yīng)惡劣環(huán)境:抗射頻干擾能力強(qiáng):輸出功率僅有2~5mw,對(duì)人體不構(gòu)成危害:探測(cè)距離遠(yuǎn)。

綜上,本系統(tǒng)主要采用前置808nm激光對(duì)射及5.8GHz微波雷達(dá)感應(yīng)雙鑒探測(cè)方式,基于多普勒原理,以平板天線發(fā)射和接收微波高頻信號(hào),感知覆蓋范圍內(nèi)物體(人員、車輛、機(jī)具、飛鳥等)的相對(duì)移動(dòng)信號(hào),經(jīng)單片機(jī)嵌入式程序分析運(yùn)算安全距離后,對(duì)于具有危險(xiǎn)因素的超高車輛,立即發(fā)出聲、光、電警示信號(hào),防止誤碰、誤傷高壓線,保障輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括前置裝置(一對(duì))及裝置本體兩部分,如圖2所示。

其中,前置裝置主要包括:10一光伏供電管理單元、11一前置雙鑒檢測(cè)單元(808nm激光對(duì)射/5.8GHz微波雷達(dá)感應(yīng))、12一RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元。裝置本體主要包括:20一光伏供電管理單元、21一定時(shí)計(jì)數(shù)裝置、22一RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻接收單元、23一多路開關(guān)處理控制單元、231一圖像抓拍取證單元、232一4GModem、233一LED頻閃控制器、234一LED發(fā)光警示牌、235一發(fā)聲控制單元、236一大功率揚(yáng)聲器、237一532nm激光警示線陣列。

2防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

輸電線路防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

(1)前置裝置安裝在距離電力線桿前15m的立桿上,其中光伏供電管理單元10內(nèi)置光伏電池組及太陽能板,將光能轉(zhuǎn)換為電能持續(xù)向前置雙鑒檢測(cè)單元11及RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元12提供工作電源。

(3)前置雙鑒檢測(cè)單元11安裝在車輛限高的距離下(立桿頂部距離光纜弧垂最低點(diǎn)1~3m處),并持續(xù)向公路另一側(cè)發(fā)射不可見的多束紅外激光及5.8GHz微波雷達(dá)信號(hào),當(dāng)超高車輛超過此距離,將遮斷一束或多束激光,根據(jù)5.8GHz微波雷達(dá)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差測(cè)算出超限距離,此時(shí)前置雙鑒檢測(cè)單元11向RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元13發(fā)出有效報(bào)警信號(hào)。RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元13接收到報(bào)警信號(hào)后,將此信號(hào)通過RF433M微波發(fā)送至RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻接收單元33。

(3)如圖4所示,裝置本體中,懸掛在光纜的光伏供電管理單元30向多路開關(guān)處理控制單元23提供工作電源,多路開關(guān)處理控制單元23通過總線向裝置本體其他組件供電。

(4)裝置本體中,多路開關(guān)處理控制單元23向定時(shí)計(jì)數(shù)裝置21發(fā)出工作指令,定時(shí)計(jì)數(shù)裝置21開始計(jì)時(shí)計(jì)數(shù),同時(shí)多路開關(guān)處理控制單元23通過并行接口分別向532nm激光線陣列237輸出控制信號(hào),控制持續(xù)發(fā)出激光陣列警示線:向發(fā)聲控制單元235輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)大功率揚(yáng)聲器236發(fā)出警示音:向LED頻閃控制器333輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光警示牌334閃爍發(fā)光:向圖像抓拍取證單元331輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)抓拍現(xiàn)場(chǎng)圖像,并通過4GModem333向遠(yuǎn)程管理員發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)圖像,便于后續(xù)追溯取證。

(5)裝置本體中,定時(shí)計(jì)數(shù)裝置31達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的定時(shí)周期后,通過多路開關(guān)處理控制單元33并行接口發(fā)出停止指令,重新進(jìn)入待機(jī)循環(huán)狀態(tài)。

3結(jié)語

本文依據(jù)當(dāng)前輸電線路防外力破壞的實(shí)際情況及常見的外破技防措施,研制了一套采用前置808nn激光對(duì)射以及5.8GHz微波雷達(dá)感應(yīng)的雙重探測(cè)預(yù)警系統(tǒng),并采用裝置本體與前置裝置分離的設(shè)計(jì),傳輸采用RF433M微波,實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害前預(yù)警、過程中報(bào)警以及事后全程影像取證。多種技術(shù)手段促使司機(jī)能在遠(yuǎn)距離及早發(fā)現(xiàn)光纜,及時(shí)采取避讓措施,有效避免事故的發(fā)生。

下一步研究重點(diǎn)將放在該系統(tǒng)的研發(fā)成本降低與現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化方面,并將該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用納入輸電線路防外破綜合治理的重要一環(huán)。